基于NIOSⅡ微处理器的三相电能表制造技术

本实用新型专利技术一种基于ＮＩＯＳⅡ微处理器的三相电能表，具体包括：传感器，输出端与信号调理模块连接；信号调理模块，输入端与传感器输出端连接；信号采集模块，输入端与信号调理模块输出端相连；电能计量ＳＯＰＣ芯片，与信号采集模块连接，是整个电能表系统的核心；锁相倍频，与信号调理模块和信号采集模块相连；通用异步收发器，采用ＲＳ－２３２接口方式实现电能表与上位机或抄表系统的通信；ＬＣＤ显示／键盘模块，连接电能计量ＳＯＰＣ芯片；日历时钟模块，与电能计量ＳＯＰＣ芯片连接；ⅡＣ存储器，与电能计量ＳＯＰＣ芯片连接。该电能表体积小、集成度高，可靠性强，具有可重构性。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

Three phase electric energy meter based on NIOS

The utility model relates to a three-phase electric energy meter based on the NIOS microprocessor, including: sensor, the output end is connected with the signal conditioning module; signal conditioning module, the input end and the output end of the sensor is connected; the signal acquisition module, signal conditioning module and the input end connected to an output end; electric energy metering chip SOPC is connected with the signal acquisition module is the core of electric energy meter system; phase locked frequency, is connected with the signal conditioning module and signal acquisition module; universal asynchronous transceiver, using RS-232 interface to achieve energy meter communication with the host computer or meter reading system; LCD display / keyboard module, connect the electric energy metering chip SOPC; calendar clock module, and the electric energy metering chip SOPC connection; II C memory, and the electric energy metering chip SOPC connection. The electric energy meter has the advantages of small size, high integration, high reliability and reconfigurability.

【技术实现步骤摘要】

本技术一种基于Niosn微处理器的三相电能表，属于仪器仪表
(二)
技术介绍
2003年城乡电网改造结束后，电力系统对三相多功能表的需求量迅速增 长。由此，国际、国内电表企业纷纷看好商机，抓紧新技术开发，不断推出三 相多功能表的新产品，以满足电能表市场的应用需求。据不全完统计，国家电 网和南方电网拥有计费电能表总量为19500万台。其中，两网直接管理用于计 费的11800万台，非直接管理用于计费的7700万台。这几年国内电子电能表的需求稳中有升，造成市场增长的原因有三 一是 电子电能表将逐步替代机械式电能表;二是前几年安装的电子电能表功能简单， 目前已经开始更新换代；三是近年来国外电子电能表市场有所扩大，使国内企 业出口量增加。业内人士分析，电子电表将成为未来电表巿场的主角。有资料表明，目前 全球至少已经安装了 10亿块电表(电子电表和机械电表总和)。未来10年，中 国电表市场可能占全球电表巿场的40%，而且这个比例还在不断攀升。在中国的电能表市场上，电子式电能表约占30 40%，其中单相电子式电 能表的年需求量稳定为2000万只左右，三相电子式电能表已增长到600万只以 上。电子式电能表具有精度高、功能强、寿命长等优点，剩余60 70%的传统 机械表正逐渐被电子式电能表所替代。目前在国内，单、三相电能表的设计规范还不是很严格。各个电能表制造 厂家在对三相电能表的功能设计上都没有明确的标准，基本上是按照客户提出 的要求，选择市场上已有的CPU、电能计量芯片及外围硬件模块进行具体的设 计。这样，每次不同功能要求的设计项目都需要对原有的软硬件设计方案做出相应的调整。其中，对硬件设计方案的改变可能会对产品安全可靠性造成很大 的影响，同时也会给设计制造厂家带来更多的投资及不便。如果能够将电能表所需的全部核心电路(例如微处理器，电能计量芯片、 各种控制器与通信接口等)放在同一芯片上，就可以大幅縮小整个系统所占的 面积，同时还会减少外围驱动接口单元及电路板间的信号传递，加快微处理器 数据处理的速度，内嵌的线路还可以避免外部电路板上信号传递所造成的系统 干扰。(三)
技术实现思路
本技术的目的在于提供一种基于Niosn微处理器的三相电能表。该 电能表将所需的全部核心电路(微处理器，电能计量芯片、各种控制器与通信 接口等)放在同一芯片上，从而可以大幅縮小整个系统所占的面积，电能表的 体积小，可靠性高。设计者可以根据用户需求对其硬件结构、功能特点、资源 占用等进行灵活构建，从而在相当短的周期内用很低的成本就可以开发出目标产品，而不是被动地跟随和使用市场上已有的MCU进行"僵硬的硬件连结和拼装"。本技术一种基于NIOSn微处理器的三相电能表，该电能表采用Altera 公司的推出的NIOSII软核微处理器做为CPU，采用三相电能计量片上可编程 系统(即SOPC， System On Programmable Chip)芯片作为计量单元，外配相应 的外围电路。该三相电能表具体包括传感器、信号调理、信号采集、电能计量SOPC芯 片、锁相倍频、LCD显示/键盘、通用异步收发器、nc存储器和日历时钟等模块。传感器，输出端与信号调理模块连接，将电力线上的三相电压和三相电流 转为小信号送给信号调理模块。三相电压是通过电阻分压网络降为小信号的， 三相电流信号是通过电流互感器转为小信号的。信号调理模块，输入端与传感器输出端连接，该信号调理模块具体包含 抗混叠低通滤波器、参考电压电平和A/D转换模块；传感器送来的小电压信号 经过抗混叠低通滤波器滤波后偏置到A/D转换模块的参考电压电平上，供A/D转换模块电流。信号采集模块，输入端与信号调理模块输出端相连，把信号调理模块送来的电压信号转为数字信号后送给电能计量SOPC芯片。电能计量SOPC芯片，与信号采集模块连接，是整个电能表系统的核心，主要包含两大部分电能计量和NIOSII软核微处理器；电能计量部分完成电压电流有效值计算，有功/无功/视在功率计算，有功/无功/视电能计量等，部分功能由硬件实现；NIOSII软核微处理器完成整个电能表的调度工作，如实现费 率时段切换，响应串口命令，冻结历史电量数据，LCD显示刷新，故障记录报 警等功能。该电能计量SOPC芯片作为一项单独的技术另案申请。锁相倍频，与信号调理模块和信号采集模块相连，用于控制A/D转换模块 的采样频率。由于该三相电能表具有谐波分析功能，考虑到谐波分析时要作FFT变换(即快速傅立叶变换)，为了使频谱不泄漏要确保同步采样；当电网电压频 率波动时需要对电网每个周波的采样点数一致，从而设计了锁相倍频电路以控制A/D采样。通用异歩收发器，民卩UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter)， 采用RS-232接口方式实现电能表与上位机或抄表系统的通信。LCD显示/键盘模块，连接电能计量SOPC芯片，是整个电能表系统人机 交互的界面，LCD显示模块显示当前三相电压有效值，三相电流有效值，有功 电能，无功电能，枧在电能，上月历史电量数据等；通过键盘可以设置电表的 数据，加快LCD刷新频率等，同时也可以方便系统调试。日历时钟模块，与电能计量SOPC芯片连接，选用美国达拉斯公司的涓 流充电时间芯片DS1302,主要用来产生一个包括年、月、日、时、分、 秒的吋钟。IIC存储器，与电能计量SOPC芯片连接，选用的是美国ATMEL公司的 二线串行电擦写可编程只读存储器存储器AT24C256，用来存储程序信息。本技术一种基于NIOSII微处理器的三相电能表，其优点及功效在于 该电能表采用Altera公司的推出的NIOSII软核微处理器做为CPU,采用三相 电能计量SOPC (System On Programmable Chip)芯片作为计量单元，外配相应 的外围电路。使用者可以根据需要对三相电能计量芯片的硬件结构、功能特点、资源P^用等进行灵活构建与编程，从而在相当短的周期内用很低的成本就可以 开发出目标产品。由于三相电能计量芯片集成了三相电能表所需的全部核心电 路(微处理器，计量芯片、各种控制器与通信接口等)，可以大幅缩小三相电能 表的体积，同时还会减少外围驱动接口单元及电路板间的信号传递，加快微处 理器数据处理的速度，内嵌的线路还可以避免外部电路板上信号传递所造成的 系统干扰；电能表体积小、集成度高，可靠性强，具有可重构性。(四) 附图说明图1所示为三相电能表设计总体框图。图2所示为电能计量SOPC芯片内部框图。具体实施方式以下结合附图和实施例，对本技术的技术方案做进一步阐述。本技术一种基于NIOSII微处理器的三相电能表，提出了一个完整的 三相电能计量的设计方案。该设计方案同样可以应用到单相电能表SOPC芯片 设计中，只是需要修改相应的计量算法和调整系统软件中相应的模块就可以了。1.本技术采用NIOSII软核微处理器的原因Altera公司的推出的NIOS II软核微处理器主要特性包括高效灵活的处理 器模±夬，可以通过软件配置成16位或32位的中央处理单元(RISC，即Relegate Important Stuffto the Compiler本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于ＮＩＯＳⅡ微处理器的三相电能表，其特征在于：该三相电能表具体包括传感器、信号调理、信号采集、电能计量片上可编程系统芯片、锁相倍频、ＬＣＤ显示／键盘、通用异步收发器、ⅡＣ存储器和日历时钟模块；　传感器，输出端与信号调理模块连接，将电力线上的三相电压和三相电流转为小信号送给信号调理模块；　信号调理模块，输入端与传感器输出端连接，该信号调理模块具体包含：抗混叠低通滤波器、参考电压电平和Ａ／Ｄ转换模块；　信号采集模块，输入端与信号调理模块输出端相连，把信号调理模块送来的电压信号转为数字信号后送给电能计量ＳＯＰＣ芯片；　电能计量ＳＯＰＣ芯片，与信号采集模块连接，是整个电能表系统的核心，主要包含两大部分：电能计量和ＮＩＯＳⅡ软核微处理器；　锁相倍频，与信号调理模块和信号采集模块相连，用于控制Ａ／Ｄ转换模块的采样频率。　通用异步收发器，采用ＲＳ－２３２接口方式实现电能表与上位机或抄表系统的通信。　ＬＣＤ显示／键盘模块，连接电能计量ＳＯＰＣ芯片，是整个电能表系统人机交互的界面；　日历时钟模块，与电能计量ＳＯＰＣ芯片连接，选用美国达拉斯公司的涓流充电时间芯片ＤＳ１３０２；　ⅡＣ存储器，与电能计量ＳＯＰＣ芯片连接，选用的是美国ＡＴＭＥＬ公司的二线串行电擦写可编程只读存储器存储器ＡＴ２４Ｃ２５６。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：袁慧梅，关永，
申请(专利权)人：首都师范大学，
类型：实用新型
国别省市：11[中国|北京]